新材料縱梁成形開裂問題的分析與解決措施

修紅芳 王斌

摘 要：對屈服強度為700MPa級超高強度大梁鋼在沖壓過程中出現(xiàn)的嚴重開裂進行分析，結(jié)果表明沖壓工藝孔位置及工藝孔內(nèi)斷面裂紋是大梁板沖壓開裂裂紋源產(chǎn)生的主要原因， 超高強度大梁板沖壓或剪切斷口易產(chǎn)生層狀裂紋傾向與材料厚度中心珠光體帶狀組織有關(guān)， 超高強度大梁折彎變形區(qū)域在設(shè)計中應(yīng)避免出現(xiàn)工藝沖孔。根據(jù)這一主要原因，制定了改進沖孔的模具間隙，工藝路徑以及減孔移孔等措施，有效地解決了新材料成型大批量開裂問題。

關(guān)鍵詞：新材料;沖壓;開裂;工藝孔;加工工藝

0 引言

隨著對汽車輕量化、節(jié)能環(huán)保及安全性能的高要求，汽車零件越來越多地采用高強度鋼板。輕量化是最主要措施，使用屈服強度700MPa級大梁鋼代替345MPa級大梁鋼，可以減重20%左右。公司也逐漸使用高強度大梁板來對縱梁材料進行升級換代，以降低縱梁厚度和車輛自重。本文所述材料即為公司試用的一種屈服強度為700MPa級超高強度大梁鋼，在試沖壓過程中，大梁出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，現(xiàn)從材料的物理性能，化學性能及工藝路徑等方面來分析形成開裂的原因，并制定相關(guān)的措施來解決開裂問題。

1 新材料縱梁開裂形貌

從開裂式樣宏觀形貌來看，開裂狀態(tài)分兩種，一種為從孔到邊緣全部撕裂，另一種為孔邊緣處存在裂紋。

2 影響零件開裂的主要因素：材料因素和工藝因素

沖壓開裂是鋼板在使用過程中的常見缺陷。要經(jīng)過彈性變形→均勻塑性變形→分散性失穩(wěn)→集中性失穩(wěn)這幾個階段才產(chǎn)生破裂。不同變形條件下，各材料影響因素和工藝影響因素對材料的極限變形能力影響程度差異很大，相同因素在不同條件下的影響也大不相同。

3 材料性能檢測分析結(jié)果

材料參數(shù)是影響零件成形極限的重要指標，其主要參數(shù)包括化學成分、屈服強度、抗拉強度、延伸率等。為確定材料對開裂問題的影響，做了試驗，由化學成分檢測結(jié)果看，QSTE700TM各元素化學成分均滿足寶鋼技術(shù)條件要求。

3.1 力學性能檢測

（1）力學性能。拉伸力學性能完全滿足技術(shù)條件要求，超高強度鋼的屈服強度達到770MPa，抗拉強度達到840MPa，延伸率在21.5%以上，且冷彎表面無裂紋，說明該材料在具有超高強度的同時具有高的塑性。

（2）拉伸試樣斷口形貌。斷口發(fā)現(xiàn)嚴重分層現(xiàn)象，其中最嚴重處為試樣斷口約厚度中心部位，產(chǎn)生整條撕裂，側(cè)面裂紋擴展約10mm。

3.2 組織和夾雜物檢測

開裂區(qū)域和正常區(qū)域金相組織和非金屬夾雜物檢測分析結(jié)果如下。

（1）正常區(qū)域試樣檢測結(jié)果：組織為鐵素體，中心區(qū)域有珠光體條帶，存在混晶組織，非金屬夾雜物主要為少量細系氧化鋁類和球化的細系氧化物類夾雜，級別很低均為0.5級，說明此鋼鋼水純凈度高，且夾雜物球化變性效果明顯。

（2）開裂區(qū)域檢測結(jié)果：試樣上有數(shù)條與表面不連通的裂紋，裂紋內(nèi)未見夾雜，裂紋附近組織為鐵素體。

4 分析和討論

從以上分析可以看出：試樣化學成分中P、S含量低，且鋼中非金屬夾雜物級別低，鋼水純凈度高，排除了非金屬夾雜物引起沖壓開裂因素。力學性能檢測和冷彎試驗表明試樣強度高塑性好。大梁折彎變形另一側(cè)未沖孔，未發(fā)生開裂，進一步說明沖孔及工藝孔內(nèi)斷口裂紋是大梁發(fā)生開裂的裂紋源。

5 解決方案

5.1 大梁板材由型號QSTE700更改為QSTE650

QSTE650材料相對于QSTE700的延伸率有較大的提高，且強度降低了50MPa，采用QSTE650的材料來代替QSTE700。

5.2 調(diào)節(jié)數(shù)控機床的沖裁間隙

結(jié)合計算合理間隙計算公式和合理間隙表把數(shù)控沖機床的凸凹模間隙由2mm改為1.8mm。

5.3 縱梁加工工藝改進

新材料縱梁翻身沖孔成型：等離子切割機下料切割外形——數(shù)控沖機床板材翻身沖孔——6000噸油壓機板材翻身成型。

（1）翻身沖孔成型。調(diào)整沖孔方向和板料成型方向，即翻身成型，使沖孔毛刺在凸模一側(cè)，光亮帶在凹模一側(cè)。

5.4 減孔和移孔

成形過程中，板材受力變形的位置主要集中R角附近，而該位置附近有孔，或者孔位距離R角較近時容易發(fā)生拉伸開裂問題。開裂的位置一般在沖孔處，然后延伸。規(guī)定孔邊到腹面或者翼面的距離必須大于或者等于額定值，避免在縱梁變形區(qū)存在孔，盡量減少拉應(yīng)力對孔的影響，消除變形區(qū)孔對成型開裂的影響。

6 結(jié)論

新材料成形開裂問題是影響縱梁輕量化實施的重要因素，逐一排查影響縱梁開裂的因素，最終確定主要因素為：孔加工工藝因素，即沖孔及工藝孔內(nèi)斷口裂紋是大梁發(fā)生開裂的裂紋源。此外，材料的強度過高，延伸率低也是成形開裂的另一原因。針對問題的根源制定如下措施：

（1）運用性能相近的QSTE650材料代替QSTE700高強度板。

（2）調(diào)節(jié)數(shù)控機床的沖裁間隙，把數(shù)控機床的沖裁間隙由原來的10mm厚*20%=2mm，調(diào)節(jié)為1.8mm，有效地改進了孔位斷面質(zhì)量。

（3）縱梁加工工藝改進。采用數(shù)控沖機床翻身沖孔成型的方式，確保成型時孔內(nèi)的光亮帶向外，撕裂帶向內(nèi)的模式。避免由于孔位斷層引發(fā)的開裂。

（4）減孔和移孔。對縱梁多余的孔進行去除，一方面提高縱梁強度和沖孔效率，另一方面杜絕了孔位對縱梁成型的影響。以上針對新材料成型問題的措施，有效地解決了縱梁開裂問題，新材料產(chǎn)品的報廢率從39.13%逐步降低到零。

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